Расчет водяного экономайзера

Особенности водяных экономайзеров  и их расположение

Водяной экономайзер как один из основных элементов котельных установок прежде исключительно предназначался для использования тепла отходящих газов, покидающих котлы. В отопительных установках он и в настоящее время исполняет это назначение.

В энергетических установках по мере повышения давления пара все более увеличивается  значение водяного экономайзера.

Экономайзер в энергетических котлах является составной частью котла, заменяя собой его последние газоходы.

В паровом котле  температура воды всюду одна и  та же, соответствующая давлению пара в котле. В экономайзере же, наоборот, температура воды всюду разная, так как вода в нем постепенно подогревается. При экономайзерной поверхности получается больше разность температур между нагревающей и нагреваемой средами и в соответствии с уравнением теплопередачи Q = KH(T - t) ккал/час при одинаковых прочих условиях через экономайзерную поверхность больше пройдет тепла по сравнению с котельной поверхностью.

В отношении  экономии металла большое значение имеет переход на однобарабанные энергетические котлы с естественной циркуляцией, причем и этот барабан  желательно выполнить минимального диаметра. С повышением давления пара постепенно уменьшается количество тепла, расходуемого на сообщение скрытой  теплоты испарения в суммарном  теплосодержании 1 кг пара, и возрастает расход тепла на подогревание воды до состояния насыщения. Поэтому  при перераспределении значительной тепловой нагрузки на экономайзер облегчается работа котла. Проще и надежнее получаются его циркуляционные контуры. Конвекционный котельный пучок получает весьма ограниченные размеры, так как остальная часть сообщаемого теплосодержания падает на сильно развитые поверхности нагрева пароперегревателя. Таким образом, большая часть поверхностей нагрева в современном энергетическом котле работает по прямоточному принципу, без циркуляции, и сравнительно небольшая часть нуждается в обеспечении достаточной кратности циркуляции.

При работе пароперегревателя  и водяного экономайзера гидравлическое сопротивление и может быть значительным, так как движение по ним нагреваемой среды обеспечивается не за счет циркуляции Поэтому эти поверхности можно выполнять из труб малого диаметра, что повышает коэффициент теплопередачи, а также создает возможность указанным частям котлоагрегат придать весьма компактную форму.

Элементы экономайзеров  для отопительно-производственных котельных отливаются из чугуна. Для  энергетических установок водяные экономайзеры делают стальными по типу пароперегревателей.

Чугунные  экономайзеры

Изготовлявшиеся до настоящего времени чугунные экономайзеры состоят из чугунных ребристых труб, соединяемых при помощи чугунных колен (калачей) таким образом, чтобы питательная вода могла последовательно пройти по всем трубам снизу вверх. Такое ее движение является обязательным, так как при нагревании воды падает степень растворимости находящихся в ней газов, кислорода, углекислоты, и газы начинают выделяться в виде поднимающихся вверх пузырьков. Конструкция экономайзеров должна способствовать удалению этих пузырьков, так как они, налипая на стенки, производят корродирующее действие. С целью лучшего смывания пузырьков скорость движения воды не следует принимать меньше 0,3 м/сек. Скорость газов во избежание чрезмерного засорения экономайзера с внешней стороны золой и сажей принимают не менее 5 м/сек.

Чугунные  ребристые трубы имеют по краям прямоугольные фланцы, что дает возможность, набирая группу труб, ограничить газоход с двух сторон металлическими стенками.

Водяные экономайзеры могут устанавливаться к каждому котлу индивидуально или они выполняются групповыми на несколько котлов. При расположении экономайзера непосредственно за котлом присос воздуха между котлом и экономайзером невелик. Для групповых экономайзеров вследствие наличия сборного борова, а также неплотностей заслонок неработающих котлов присос достигает значительных размеров.

Водяной экономайзер, собираемый из ребристых труб, довольно быстро загрязняется золой и сажей, поэтому его необходимо обдувать паром.

В отопительных установках иногда вместо автоматически  работающего воздухоотводчика применяют простые водосборники. К последним присоединяют полдюймовую газовую трубу, которую ведут к раковине, находящейся в помещении котельной.

Чугунными экономайзерами снабжаются также водогрейные котлы. Следует учитывать, что при одинаковых прочих условиях, например, при одинаковом количестве сжигаемого в час топлива, в водогрейную установку приходится вводить воды примерно в 10 раз больше, чем в паровую, так как количество тепла, воспринимаемого на 1 кг теплоносителя, у водогрейных котлов колеблется от 25 до 60 ккал/кг, а у паровых — от 500 до 650 ккал/кг и выше.

С этим надо считаться, распределяя потоки воды по трубам экономайзера. Направляя всю воду аналогично с паровыми установками, через каждую трубу можно получить слишком большие скорости и гидравлические сопротивления. Воду в таких случаях  надо пропускать рядом параллельных потоков.

Чугунные  экономайзеры допускаются к установке при давлении пара в котлах не выше 22 атм.

Стальные  экономайзеры

Стальными водяными экономайзерами укомплектовываются котлоагрегаты с давлением выше 22 атм.

Стальные  экономайзеры бывают двух типов. Первый из них по принципиальной схеме не отличается от чугунного экономайзера. Ко второму типу относится "кипящий" экономайзер, когда между котлом и экономайзером не устанавливается никаких запорных приспособлений и отсутствует ограничение в отношении предела нагревания воды. Вода в стальном экономайзере может и закипеть, причем количество пара, образующегося в экономайзере, равняется 5—15% и более от общего расхода пара котлом.

Стальные  экономайзеры конструируются из змеевиков и коллекторов по типу пароперегревателей. В кипящем экономайзере должен предусматриваться беспрепятственный отвод пара в котел, если бы таковой образовался. Стальной кипящий экономайзер позволяет предельно использовать экономайзерную поверхность. Диаметры труб стального экономайзера, так же как и пароперегревателей, принимаются по большей части 38х32 мм. Небольшие диаметры труб позволяют создать компактный экономайзер, работающий с высоким коэффициентом теплопередачи. Кипящий экономайзер составляет одно целое с котлом, поэтому и требуемая правилами Котлонадзора питательная арматура устанавливается не перед котлом, а перед экономайзером. Чугунный экономайзер хорошо противостоит влиянию внутренней коррозии растворенным в воде кислородом и внешней, связанной с образованием росы. Стальные экономайзеры, наоборот, очень подвержены таким разъеданиям, поэтому в установках приходится особо тщательно деаэрировать питательную воду. В отношении возможности появления росы в большинстве случаев опасений не имеется, так как при работе тепловой электростанции по регенеративному циклу температура питательной воды всегда значительно выше 100°. 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание.

Рассчитать поверхность  экономайзера для парового котла  теплопроизводительностью Q_к, МВт. Давление насыщенного пара Р_пп = 10 бар; топливо газ. Непрерывная продувка составляет Р = 3…4 %. Влагосодержание природного газа при t=10 ⁰С принимает d_г = 10 г/м³.  Котел оборудован индивидуальным водяным экономайзером системы ВТИ.

Топливо-газ  Краснодарского месторождения.

Производительность  котла Q=2 МВт.

Решение.

Состав газа по объему: СН₄=87,0 %; С₂Н₂=5,9 %;, С₃Н₈=1,5%; С₄Н₁₀=1,0%; С₅Н₁₂=0,4%; СО₂=1,2%; N₂=3%;

Теплота сгорания топлива Q_р ^н =35455 кДж/м³.

Относительная плотность по воздуху ρ= 0,835 кг/м³.

Теоретический объем воздуха, необходимый для  полного сгорания 1м³ топлива:

V⁰= 0.0478[0.5CO+0.5H₂+1.5H₂S+2CH₄+∑(m+n/4)C_mH_n-O₂]= 0.0478(2*87+3.5*5.9+5*1.5+6.5*1)=9.97 м³/м³.

Действительный  объем воздуха, поступивший в  топку:

V_д=α₁*V⁰; где α₁-действительный коэффициент избытка воздуха.

α₁ = 1,1, тогда   V_д= 1,1*9,97=10,97 м³/м³.

Полный объем  продуктов сгорания:

V_г= V_сг+Vн₂о;    при этом V_сг= V_RO2+V_N2;

V_RO2=V_CO2+V_SO2 – объем трехатомных газов.

V_N2 – объем двухатомных газов.

Теоретический объем двухатомных газов:

V⁰_N2= 0,79V⁰+N^P/100= 0.79*9.970+3/100=7.88+0.03=7.91 м³/м³.

Объем трехатомных  газов. 

V⁰_RO2=0,01[CO₂+CO+H₂S+∑mC_mH_n]=

0,01[1,2+87+2*59+3*1,5+4*1]=1,09 м³/м³.

Объем сухих  газов:

V⁰_сг= V⁰_RO2+ V_N2=1,09+7,91=9 м³/м³.

Теоретический объем водяных паров:

V⁰_H2O=0.01[H₂S+H₂+∑(n/2)C_mnH +0.124d₁]+0.0161V⁰.

d₁- влагосодержание газообразного топлива.

V⁰_H2O=0.01[2*87+3*5.9+4*1.5+5*1+0.124*0.01]+0.0161*9.97=2.19 м³/м³

Действительные объемы сухих газов и водяных паров:

V_сг= V⁰_сг+(α₁-1)* V⁰=9,997 м³/м³

V_H2O= V⁰_H2O+0,0161(α₁-1)* V⁰=2,19+0,0161(1,1-1)*9,97=3,2 м³/м³

Полный объем  продуктов сгорания: V_г= V_сг+ V_H2O=9,997+3,2=13,197 м³/м³

Масса продуктов  сгорания:

М_Г=ρ+0,001d+1,306α₁V⁰=0,835+0,001*0,1+1,306*1,1*9,97=15,16 м³/м³

Располагаемая теплота сгорания:

Q_p^p= Q_р^н + Q_тл+ Q_в.вн;

Q_тл – физическая теплота топлива.

Q_тл=С_Т^Р*t=0,52*30=16,8 кДж/кг.

Q_в.вн – теплота вносимая в топку с фоздухом.

Q_в.вн = α₁V⁰С_РВΔt_В=1,1*9,97*1,297*1=14,2 кДж/кг.

Уравнение теплового  баланса котельного агрегата.

q₁+q₂+q₃+q₄+q₅+q₆=100%/

q₃=1%;  q₄=0%;  q₅=6,7%;  q₆=0%;

q₁ – теплота полезного использования в котле.

q₂ – потери с уходящими газами.

q₃ – потери от химической неполноты сгорания топлива.

q₄ - потери от механической неполноты сгорания топлива.

q₅ – потери теплоты в окружающую среду.

q₆ – потери теплоты с физической теплотой шлака.

q₂ = (I_yx+α_yx*I⁰_хв)*(100- q₄)/ Q_p^p;

I_yx=I⁰_г+( α_yx-1)* I⁰_в;

α_yx=α₁+0,1=1,1+0,1=1,2.

Принимаем температуру  продуктов сгорания  ϴ=600 ⁰.

I⁰_г= V_RO2(сϴ)_СО2+ V⁰_N2(сϴ)_N2+ V⁰_H2O(сϴ)_H2O=1.09*1222+7.91*804+3.2*967= =10786 кДж/м³;

I⁰_в= V⁰(сϴ)_В=9,97*830=9272 кДж/м³;

I_yx=10786+(1,2-1)*9272=12640,4 кДж/м³. 

Энтальпия холодного  воздуха:

I⁰_хв= V⁰*С_РВ*t_В=9,97*1,297*30=387,9 кДж/м³;

Потери теплоты  с уходящими газами: